光刻機 (Lithography Machine) 在世界上原有三強，日本的Nikon、Canon 和荷蘭的ASML，但由於手機芯片的高度需求，促成光刻機細微化的機制，ASML的分額已遠超越日系光刻機，市占率高達80～90%，後工業時代包括工業3.0和工業4.0，都以芯片為基礎，光刻機作為芯片製造的重要裝備，製程大致如下： 它是以光為刀具，先在矽片 (Silicon wafer, 晶圓) 表面覆蓋一層高度光敏感性的光刻膠 (Photoresist)，再以強烈激光 (Laser, 雷射光) 透過掩膜 (Mask) 照射至矽片表面，被照射到的光刻膠會發生反應，然後以特定溶劑洗去被照射或未被照射的光刻膠，因而形成電路圖從掩膜轉移至矽片，這只是科普的簡述，真要用光刻機製造芯片，需要在極其細微的結構上進行上百次套刻 (Alignment) 和數千道工序，並需幾百種裝備才能實現。中國自產光刻機如上海微電子的製機，只能加工90 nm (奈米) 工藝芯片，與ASML的7 nm EUV (External Ultraviolet, 極短紫外線) 光刻機相較，技術差距了十幾年，難怪中美商業戰25%的高關稅並未擊倒中國，但進入科技戰，美國包圍中國的斷晶禁令，卻讓華為高階手機痛失半壁江山。
強大的光刻機是高階細微芯片製造的核心裝備，中國一直在此領域被外國掐住脖子，中國科學院 (Chinese Academy of Science) 光電所經過七年艱苦研發，12月中旬「超分辨 (Super-Resolution) 光刻研製」 通過驗收，此意味中國有了第一台分辨力最高的紫外 (即22奈米@365奈米) 超分辨光刻裝備，意即在365 nm 光源的波長下，單次曝光 (Single Exposure) 最高線寬 (Maximum line width) 分辨力可達到22 nm，這相當於頭髮直徑的1/3600，已在原理上突破分辨力衍射 (diffraction) 極限，建立了一個高分辨、大面積的nm光刻裝備，這種研發的新思維，跨越過了國外相關智慧財產權的屏障，值得關注的重點如下：
1. 光源〔用很粗的刀具切刻出很細的一條線〕： 365 nm波長光源屬於近紫外線的範圍，為了追求更小的奈米技術，國外光刻機廠商的解決方案，是使用波長越短的的光源實現，例如ASML即以此方法解決，目前國外最廣泛使用於光刻機的光源為193 nm波長深紫外激光，光刻分辨力則為38 nm 約0.27倍曝光波長，而國科院研發的可以做到22 nm，並結合雙重曝光技術後，未來有能力達成 10 nm 級別的芯片，也就是說，中科院研製的光刻機，用波長更長的近紫外線，以成本更低的汞燈光源，實現了更高的光刻分辨力約0.06 倍曝光波長，這情況相當於使用很粗的刀子，切刻出一條很細的線，亦即突破了分辨力衍射的極限。
2. 成本 〔性價比大為提高〕： 傳統上應利用越短的光波，以獲得更高的分辨力，並用增加成像系統數值孔徑 (Imaging System Numerical Aperture) 等方式，來改進光刻機能力，其問題不僅在技術上難度極高，裝備成本也非常昂貴，例如ASML第五代光刻機，使用更短波長13.5 nm 極紫外光 (EUV, External Ultraviolet) 液浸曝光 (Immersion Exposure)，在液體內傳遞光線，而不是類似攝影的空氣傳遞，從而實現14 nm、10 nm及7 nm 芯片製程的生產，以應對大量智慧型手機奈米低、功能高、體積小的需求，但細微芯片並不一定適用於車載、高鐵、飛機、軍事、宇宙…之中，因該類芯片更應考慮可靠、安全、耐用及依用途而對應的設計，這就是斷晶禁令迫使華為手機首當其衝，但未必能讓其它行業即刻受創的原因。一部EUV光刻機售價美元1億，台積電擁有ASML EUV半數以上裝備，並達成整個半導體產業累計共60% 的EUV晶圓產量，英特爾、台積電、三星、飛利浦等都是ASML的股東，一般認為若無EUV的裝備，要挑戰7或更小nm的先進製程幾乎不可能，然而中科院光電所研發的光刻機使用波長更長的普通紫外光，卻有望實現分辨能力更高的光刻技術。
3. 突破 〔打破美國禁令的牽制〕： 超分辨光刻機的實施，將打破國外在高端光刻機領域的壟斷，為奈米光學加工貢獻了跳躍式的解決方案，也是新一代的信息技術，在新材料、生物、醫療等戰略領域居多席之地，為基礎前沿和國防安全提供了核心技術保障，分辨力的指標是屬於國外禁令的範疇之內，因此成就了打破國外禁制的利器，並成為新一代光刻機集成芯片的研製領域，甚至有可能彎道超車趕到前面。
4. 局限 〔謙卑地努力研發才是真道理〕： 但要有自知之明，這並不意味中國芯片製造即刻就能突飛猛進，因為芯片製造是一門龐大的產業結構，目前中科院光電所的光刻機尚有其局限，此裝備已包含一系列奈米功能器件，具有大口徑薄膜鏡 (Pellicle Mirror)、超導奈米線單光子 (Single Photon) 探測器、切倫科夫輻射 (Cherenkov Radiation) 器件、生化傳感 (Biochemical Sensor) 芯片、超表面成像器件 (Meta-surface Imager) …等，驗證了該裝備奈米功能器件加工的能力與水平，其主要仍是光學領域的器件，以目前的能力只能做週期的線條和點陣 (Dot matrix)，尚無法做複雜的IC需求圖形，短期內不能像ASML的技術那樣，應用於IC的製造，但長期來看具有取得更重要突破的能耐。
七年來中研院光電所研究人員突破了高均勻性照明、超分辨光刻鏡頭、奈米級分辨力檢焦 (Focus) 及間隙測量、超精密及多自由度 (Multiple Degree of Freedom) 工件台與控制等多種關鍵技術，完成國際上首座分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備種型，其採用365 nm 波長光源，單次曝光最高線寬分辨力達到22 nm 約1/17 曝光波長，在此基礎上還結合了超分辨光刻度裝備項目中開發的高深寬比刻蝕 (High aspect ratio etching)、多重圖形 (Multiple Patterning) …等配套工藝，實現了10 nm 以下特徵尺寸圖形的加工。
另一方面，該項目還發表了68篇論文，申請國家發明專利92項，其中授權47項，申請國際專利8項，授權4項，並且培育了一支分辨光刻技術和裝備的研發團隊。中芯國際 (SMIC) 的光刻裝備僅能加工14 nm 的芯片，惟據稱已研發能夠繞開光刻機朝自創7 nm (命名N+1) 接著5 nm (命名N+2) 的量產方向即將實現，
美國商務部最近宣布將中芯國際等80家中企列入實體清單，今後若無美方許可， 美企不得銷售10 nm 及以下製程技術給中芯，不知是否波及N+1和 N+2的創建？最近傳出上海微電子已開發製造22 nm 的光刻機，雖尚無法達到高階智慧手機芯片的要求，但可緩解斷晶之急，另據聞韓國三星已有自創7 nm 的光刻突破技術，而華為、中國科學院早就埋頭苦幹、急起直追，ASML已朝5及2 nm的製程支持蓄勢待發，其獨領風騷的局面可有改寫的一天？
＊作者為工程專業經理人
